真空電滲給水污泥脫水機理的研究

譚林立， 許 航， 劉 珊， 崔建峰， 申昆侖， 丁明梅

（1.江蘇圣泰環境科技股份有限公司， 江蘇 南京 210007；2.河海大學環境學院， 江蘇 南京 210098；3.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室， 江蘇 南京 210098）

0 引言

近幾十年來，隨著城市自來水廠的數量和規模不斷增加和擴大，給水污泥量快速增加。給水污泥的高含水率嚴重阻礙了給水污泥的綜合利用和最終處理[1-2]。傳統的污泥處理方法有：填埋，為了達到處理效果通常會投加石灰進行后續處理，但污泥產生的濾液會造成地下水的污染；焚燒，將能量回收用于供熱或發電[3-4]，不過焚燒尾氣會造成二次污染；排入水體消納則會造成江河上、下游及不同區域之間形成“先排出，后吸入”的惡性循環[5]。為實現給水污泥的減量化，走可持續發展道路，發展新型給水污泥資源化利用方式，對污泥處理與處置方法的研究成為新的熱點。

目前，常用的機械脫水方法可有效的去除污泥中的自由水，但難以去除毛細管水[6]。電滲是在電場的作用下，使吸附極性水分子的帶電顆粒定向移動而產生電滲透現象，從而達到加固軟土地基的目的。電滲法最初用于增強土壤的穩定性和抗剪強度，后用于土壤的固結和加固[7]。近年來，一部分學者致力于將真空電滲技術應用于污泥脫水處理，并取得了一系列試驗成果[8]。

本實驗采用的真空電滲處理是通過真空－電滲的聯合作用來進一步降低處理成本和提高污泥中水分去除率的一種技術。現有的研究大多數是關于真空電滲技術脫水效果影響因素的分析，而鮮有對其脫水機理的研究。為了深入闡述真空電滲技術固化給水污泥的機理，本實驗通過給水污泥粒徑、電導率隨電勢梯度的變化趨勢，解釋不同電勢梯度下產生不同脫水效果的原因。通過對比不同電勢梯度下污泥中結合水、鄰位水、毛細管水和自由水的含量變化闡述電勢梯度對真空電滲的影響。并進一步對比原污泥和真空電滲后污泥中結合水、鄰位水、毛細管水和自由水的含量變化闡述真空電滲脫水的機理。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

試驗所用給水污泥取自某自來水廠沉淀池，污泥基本性質見表1。

表1 給水污泥基本性質

1.2 實驗裝置

圖1 真空電滲試驗裝置示意

真空電滲脫水的實驗裝置見圖1。

試驗裝置包括3個矩形電滲污泥槽、9個打孔拉縫（寬度3 mm）不銹鋼管陰極電極、9個不拉縫不銹鋼陽極電極、3個圓柱形真空槽及1個高頻直流電源（RDX高頻開關電源PWH100A－36V－F）。 矩形電滲污泥槽為有機玻璃制（長×寬×高為400 mm×300 mm×250 mm）。實驗初期污泥的pH值由pH計（PHS－25）測得。在實驗中，電極豎直固定在污泥槽上部間距為200 mm的卡槽，不銹鋼管（管徑Φ=40 mm）陽極電極接正電，不銹鋼管陰極接負電。電極上拉縫用于排除電解氣體和水分，并在其表面包裹孔徑為5μm的土工布，用來攔截污泥顆粒。實驗過程中用真空泵（循環水式真空泵SHZ－Ⅲ）抽吸流向電極的電解質溶液和電解產生的氣體，并通過真空壓力開關（MD－S800V）來控制真空抽吸時間。

1.3 實驗設計

3組泥樣在相同真空壓力（0.04～0.05 MPa）和相同真空時間（24 h）下測定污泥的含水率以及水分組成，并比較5組泥樣不同電勢梯度和不同電滲時間后的電滲脫水效果。采用直流高頻電流對污泥試樣進行恒電壓電滲脫水，分別在電勢梯度3.0，1.5，1.0 V/cm條件下電滲90 h，記錄電源數顯窗口顯示的電流值I，讀取電滲泥槽中泥樣高度，真空槽中水樣高度，泥樣pH值、電導率和zeta電位值，實驗結束后選取泥槽中間點泥樣測定污泥最終含水率以及水分組成。

2 結果與討論

2.1 不同電勢梯度與含水率的關系

污泥表面帶負電荷，由于靜電引力，在水溶液中會吸引水中的陽離子吸附到污泥表面上，在靜電引力和熱運動的擴散作用下，污泥表面的負電荷與受污泥表面影響的反離子層形成雙電層，在電滲電流的作用下，水合陽離子會向陰極移動負載電流，并帶動周圍的自由水向陰極移動[9]。在真空24 h后，電過程中滲含水率隨時間變化見圖2。

圖2 污泥含水率隨時間變化

由圖2可知，隨著電勢梯度增大，污泥中的水分去除得更快，達到相同含水率的時間減少。電滲后期由于陽極的水向陰極移動，陽極附近的泥樣硬化干涸形成導電性很差的物質，使污泥的電阻增大，后期含水率去除很慢。同時電極附近產生氣體，電極與污泥的接觸不好，電滲對于含水率的去除效果變差。電滲前期水分去除速率較快，故而電滲后期水分去除速率變緩，同時電滲大部分去除自由水和毛細管水，因此電滲最終含水率近似相同[10]。

2.2 電導率與含水率的影響

電導率隨時間變化見圖3。電滲過程中，在電勢差的作用下，陰陽離子向相反電極方向移動，即陰離子向陽極移動，陽離子向陰極移動[11]。而當陽離子向陰極移動的同時會拖曳水，使水向陰極移動。陰離子移動時也會帶動水的移動，但是污泥顆粒帶負電，則水中陽離子含量比較高，故水分主要向陰極移動。當電導率增大時，則污泥中水化陽離子含量比較高，電滲能力比較強，水分子移動比較快[12]。當電勢梯度為3 V/cm時，水化分子移動較快，離子去除量增多，電導率下降速度快，污泥水分去除更完全，有利于固化給水污泥。

圖3 電導率隨時間變化

2.3 污泥粒徑的影響

原污泥和真空電滲所得污泥樣品在掃描電子顯微鏡下觀察，可以看出在含水率降低時，污泥中絮體破壞，粒徑變小，使得部分金屬離子溶出，水合陽離子增加，在電滲作用下，拖曳更多水，使得污泥水分減少。給水污泥電鏡圖像見圖4。圖4（a）為原給水污泥電鏡圖像，污泥絮體較大，結構比較疏松，水分含量大；圖4（b）為電滲結束后給水污泥的電鏡圖像，由于污泥中毛細管水被去除，絮體結構緊密，表明電滲能夠有效固化給水污泥。

圖4 給水污泥電鏡圖像

2.4 水分組成的影響

污泥絮凝體中含有大量的水，根據水在絮凝體中的位置和功能不同，可將其劃分為結合水、鄰位水、毛細管水和自由水[13]。結合水參與形成污泥中生物量；鄰位水緊貼污泥顆粒表面；毛細管水存在于污泥絮凝體的毛細結構中；自由水分布在污泥顆粒之間。在真空抽吸作用下，污泥受到當量的軸向壓力，污泥顆粒之間的空隙減小，又由于絮體的機構穩定性，污泥中的絮體被部分壓縮，使得真空后自由水和毛細管水減少[14]。而真空所產生的軸向壓力，不能影響污泥顆粒的電荷量，由電分子引力作用存在于污泥表面的鄰位水和結合水不能減少。而電滲為污泥提供了穩定電場，使得污泥中水合離子在電場作用下向電極移動，在粘滯力下同時下同時帶動周邊的自由水，使得最終含水率降低。不同樣品的水分分布見圖5。

圖5 不同樣品的水分分布

3 結論

本實驗表明，真空和電滲主要去除的水分類型不同：真空去除的主要是自由水，而電滲主要去除的是毛細管水和鄰位水。由于真空抽吸時易導致孔洞的堵塞，脫水效果并不理想。污泥具有負電性，其表面吸附水層帶正電，在電場作用下由于離子的定向移動帶動水的遷移，使得脫水效果提高。結果表明，不同電勢梯度下電滲去除的水分類型不變，經過長時間的電滲能達到相同的含水率，而電勢梯度越高下達到相同含水率的時間越短。